مصالح هوشمند ساختمان با استفاده از لوله های نانو(نانو تیوب )کربن
آزمایشگاه بیونانوسازه های هوشمند،مهندسی مکانیک ،مهندسی شیمی و مواد،مهندسی برق و کامپیوتر ، فیزیک ،دانشگاه سینسیناتی
چکیده
در این مقاله توسعه مصالح کمپوزیت پلیمر را بر اساس لوله های نانو کربن مورد بحث قرار می دهد. لوله های نانو کربن برای ساخت مصالح هیبرید پلیمر که دارای خواص پلاستیکی خوب ،حساسیت در برابر مقاومت در برابر فشار و فعال سازی الکتروشیمی هستند مورد استفاده قرار می گیرند.آنچه که از اهمیت ویژه ای برخوردار است مصالح نانوکامپوزیت هوشمند است که برای کنترل سلامت ساختاری و یا فعال ساز اتوماتیک برای توسعه عملکرد و ارتقائ کارایی سازه ها و دستگاه ها مناسب و محکم هستند.از آنجا که تحقیقات در زمینه نانو وسیع ،پرچالش بوده و در سطوح کارشناسی تا دوره دکترا گسترش یافته است و هیات علمی تلاشهای خود را برای مقابله با مشکلات خاص در ارتباط با مصالح هوشمند نانو به کار برده است .این مقاله مروری بر کار در حال انجام برای ساخت مصالح نانو کامپوزیت پلیمر می باشد که از سنتز لوله های نانو برای ساخت و آزمایش بهره برده می شود .سنتز با استفاده از اجاق های نانو ایزی تیوب انجام می شود، برای عملی کردن این امر از روکش پلاسما استفاده می شود،و نیز پراکندگی با ساتفاده از ترکیب چرخشی و بکارگیری مافوق صوت ،و فرایند قالب گیری تحت فشار و خلاء .پلیمر های مسلح ،محرک پلیمر جامد لوله نانوکربن ، و حسگر های فشار برای چند نوع کاربرد ساخته می شوند. مصالح تولید شده نشانگر این است که مصالح هوشمند هیبرید نانو تیوب را می توان به عنوان یک دسته جدید از مواد هوشمند با خواص وکاربرد های ویژه طبقه بندی کرد،اما کارهای بسیار زیادی لازم است تا تمامی پتانسیل های آن را به مرحله اجرا درآوریم.
کلمات کلیدی: نانوتیوب های کربن،سازه های هوشمند، نانوکمپوزیت،مقاوم در برابر فشار،الکترو شیمیایی
1-مقدمه:
لوله های تک جداره نانو کربنی دارای خواص فوق العاده الکتریکی و مکانیکی می باشند که در خیلی از موارد دیگر بیشتر است (1-7) . این خواص برتر شامل یک ضریب الاستیکی lTPa ،استحکام 50gpa تحریک االکتروشیمیایی ،و قابلیت رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا می باشد. این خواص عموما نسبت به خواص لوله های چند جداره ای نانوکربنی برتری دارند از جمله کامپوزیت های با استحکام بالا،حسگر های مقاوم در برابر فشار و الکتروشمی،و فعال سازی های الکترو شیمیایی . خاصیت فعال سازی الکتروشیمی لوله های چند جداره ای نانو کربنی ممکن است عملکرد فعال سازی بالاتری نسبت به مصالح فشار الکتریکی از خود بروز دهند(حدودا 5 برابر کرنش و 10 برابر دانسیته انرژی ) و نیز در مقایسه با دیگر لوله های نانو ساخته شده از عناصری از قبیل وانادیوم،سیلیکون،بارون و تیتانیوم ا ز عملکرد بهتری برخوردارند. لوله های نانوکربن بخاطر تزریق بار الکتروشیمی خاصیت تحریک کنندگی دارند و در یک الکترولیت منبسط می شوند. شبکه های لوله های نانوکربنی با استفاده از جذب واندرووالز قابل شکل گیری هستند و در یکالکترولیت فعال می گردند، اما استحکام و فعال سازی خیلی کمتر از زمیزان پیش بینی شده می باشد. فیبر های ساخته شده از لوله های نانو کربن خواص مکانیکی قابل توجهی از خود نشان داده اند (8-11) ، خواص فعال سازی و حسگری به این بستگی دارد که تبادل بین لوله های نانو کربن در فیلر تا چه حد است. راهکار دیگر قرار دادن لوله های نانو در یک پلیمر رساناست تا تبادل یونی خوب و نیز قابل انتقال بار مناسب حاصل شود. پلیمر رسانا استحکام را فراهم می کند و زمانیکه هیدراته می شود فعال سازی را فراهم می کند که این موضوع در این مقاله مورد بحث می باشد. بطور کلی سبکه فیبر/مواد پلیمر رسانایی از جنس لوله نانوکربنی این توانایی را دارند که یک ماده جدید و هوشمندی را پدید آورند که این امکان فراهم شود تا بتوانیم حرکت در دستگاه ها را از مقدار نانو تا ماکرو اندازه گیری و تولید کنیم. بر خلاف مواد هوشمند دیگر ،ماده ای از لوله های نانو کربن ساخته می شود در عین حال یک ماده ساختاری است زیرا این ماده متحمل بار می گردد و یک ماده عملکردی ایت بخاطر اینکه از خواص الکترومکانیکی برخوردار است و می توان برای منظور های ویژه از ان استفاده کرد و نیز همینطور یک ماده هوشمند بعلت فعال سازی و حالت حسگری . ما در ایت مقاله نحوه ساخت مواد کامپوزیت پلیمر لوله نانو کربن را برای تقویت، حسگری و فعال سازی از سنتز لوله نانو تا ساخت دستگاه تشریح خواهیم کرد.
2-سنتز لوله های نانو
در حال حاضر 3 تکنیک اصلی برای تولید لوله های نانو کربن تک جداره ای و نیز برش از طریق لیزر،دشارژ قوس الکتریکی و رسوب بخار شیمیایی با کیفیت بالا وجود دارد. هر دو حالت تکنیک برش لیزری و دشارژ قوس الکتریکی در مقایسه بالا وجود دارد . هر دو تکنیک برش لیزری و دشارز قوس الکتریکی در مقایسه با اندازه منبع کربن د رمیزان نمونه ای که انها م می سازند محدودیدارند. در ضمن ناخالصی های بیشتری ببه شکل ذرات کربن غیر هندسی و کاتالیزور در وله ها ی نانو
کربن وجود دارد .روش( ((cvp یک فرایند مستمر بوده و د رحال حاضر بهترین تکنیک برای تولید با بازده بالا و خواص کم لوله های نانو کربن می باشد.در ضمن این روش بهمراه تتسهیلات تولید و کنترل قدرت کنترل اندازه ،شکل و تنظیم لوله های نانو را دارد .این روش یک تکنیک فاز گازی است که از گاز های تغذیه ای منبع کربن از قبیل بنزن، متان،استیلن و مونو اکسید کربن استفاده م یکند. در این فرایند ملکول ها ی گاز منبع کربن در دمای بالا روی کاتالیزور تجزیه می شوند .
در لایه زیرین انجام می شوند. Fe/mo با پشتوانه آلومینیوم یک نوع از ترکیب کاتالیزور / زیر لایه ای است.انتخاب و آماده سازی زیر لایه / کاتایزور جنبه های مهم مربوط به بازده لوله هیا نانو و خاصیت خالص سازی لوله های نانو می باشد.
یک کوره نانو easy / tube که در شکل 1-الف نشان داده شده است در دانشگاه سین سنتای برای سنتز لوله های واحد کربن مورد استفاده قرار می گیرد. این کوره از فرایند svd که با حرارت کار می کند استفاده می نماید و شامل دو واحد اصلی سات . واحد کنترل و واحد فرایند ( 22-20) واحد کنترل شامل ایستگاه عملیاتی اپراتور که در شکل 1-ب نشان داده شده است که یک کنترل گر ویندوز متیکرو ساخت ونیز از labriew بعنوان زبان برنامه ریزی استفاده می کند. واحد فرایند شامل 1 بارگذار می باشد. این سیستم از چهار گاز فرایند استفاده می کند.: متال،اتیلن،هیدروژن و آرگون که برای تولید لوله های نانو شکرت دارند. نیتروژن پنجمین گازی است که برای هدایت در یچه های گاز در که مورد استفاده قرار می گیرد.متان و اتیلن گاز های منبع کربن محسوب می شوند ،آرگون باری ایجاد یک اتمسقر خنثی بگار می رود . کوره و نمونه روی بارگذار در لوله کوارتز در شکل 1-ج نشان داده شده است . هیدروژن برای متعادل سازی واکنش شیمیایی در تجزیه هیدروکربن مورد استفاده قرار می گیرد . در هنگام استفاده از یک کوره نانو و گازهای احتراق پذیر رعایت نکات ایمنی ضروری است . کوره نانو easy tube دارای چندین ویژگی تیمنی است و برای ایمنی بیشتر ما کوره را در یک پوشش دولایه ای بزرگ با درهای شیشه ای ایمنی و آشکارسازهای نشست گاز نصب شده د راتاقک گاز و تمامی خطوط گاز تا کوره قرار داده ایم.
کنترل گرهای جریان توده سرعت جریان گازها را کنترل می کنند . گازها از طریق لوله کوارتز وارد کوره شده .و تا دمای 900-100 درجه سانتیگراد حرارت می بینند. فشارهای گاز در کوره به حالت اتمسفری نزدیک می شوند . هیدروکربن ها یک کتالیزور درلوله کوارتز که روی لایه زیرین جاسازی شده است تجزیه می گرردندو کتالیزورهای بکار رفته در آزمایشات شامل نیترات اهن، آلومینیوم و اکسید منیزیم می باشد . یک قایق کوارتز یا مولیبدن بهمراه یک پشتیبان و کاتالیزور پر قدرت برای رشد لوله های نانو بکار گرفته می شود.برای لوله های نانو با خواص بالا ،کاتالیزور یا ماده بر روی یک پوشال اکسید سیلیتون قرار دارده شده . کاتالیزور در وسط ماده قرار داده شده و آنقدر چرخانده شد تا ضخامت لایه زیرین و کاتالیزور کنترل گردد . لایه زیرین از طریق فن لیتوگرافی الگو بندی گردیدو در نهایت لایه زیرین در داخل لوله کوارتز قرار دارده شده وبطور خودکار از بارگذار که یک سینی بارگذار کوارتز است و با کامپیوتر کار می کند استفاده گردید . دستورالعمل استاندارد در کوره برای تولید لوله های نانو کربن تک جداره با خلوص و بازده بالا در سه مرحله می باشد1- سکوی پیشینه 2- رسوب 3- تبرید . در مرحله سکوی بیشینه، دمای کوره در 12 دقیقه از دمای محیطی به 900 درجه سانتیگراد افزایش داده خواهد شد .
یک جریان مداوم گار آرگون لذاب تخلیه کامل سیستم مورد استفاده قرار می گیرد.بمحض اینکه دما به 900 درجه سانتیگراد می رسد ، بمدت 10 دقیقه در همین درجه رسوب انجام می شود و انی در حالیست که تولید آرگون متوقف خواهد شد.ابن مرحله رسو می باشد .چرخه بعدی تبرید می باشد و بعد از اینکه لوله های نانو تولید گردید می بایست خنک شوند تا به شرایط محیط برسند و در طی مرحله تبرید تولید متان ،اتیلن و هیدروژن متوقف می گردد و سیستم مجددا با گاز آرگون خنثی تخلیه می گردد . جدا از این سه مرحله اساسی ، مرحله چهارم به نام سکوی زمتنبندی نیز وجود دارد که می تواند انجام شود . بر خلاف سکئی بیشینه که در ان دما تا انجا که ممکن است بسرعت افزایش می یابد در سکوی زمانبندی ، دما بتدریج بالا برده می شود.متغیر هایی که موجب رشد لوله های نانو می شوند شامل دمای چرخه ف زمان عملیات چرخه ، سرعت جریان حجم/توده ، گاز ، نظم و مدت مراحل فرایند و نوع و کمیت کاتالیزور ولایه زیرین می باشد. متغیر های کرحله بازده و کیفیت لوله هیا نانو سنتز شده را تعیین می کنند. با تغییر هر یک از آنها ممکن است موجب تغییر در اندازه شکل و یا دانسیته لوله های نانو گردیده است و بنابراین آزمایشهای انجام شده تنظیمات بهینه لازم برای متغیر های فرایند تغییر یابند و اینها شامل موارد زیرند 1- دستورالعمل استاندارد first name برا ی بازده نانو کربن تک جداره 2- تخلیه با شروع طولانی بوسیله گاز آرگون در دمای بالا 3- رشد طولانی رسوب 4- دمای بالاتر 5- ترکیبات گوناگون از مراحل فراوری و کاتالیزور/ لایه زیرین us . جدول شماره 1 فهرستی از شرایط فرایند را با جزیات برای دستورالعمل استاندارد در رشد لوله نانو ارائه می کند . دمای محیط در طی بررسی سنتز حدودا 25 درجه سانتیگراد بود. بخش هلی زیر دو تکنیک تشریح مورد استفاده قرار گرفته را بهمراه نتایج بدست آمده برا ی تعیین نور،اندازه ،و دانسیته منبعی لوله های نانو را در بعضی از آزمایشهای سنتز ارائه می کند.
جدول 1- دستورالعمل استاندارد برای لوله های نانو کربن تک جداره با بازده بالا، آزمایش 1
| مرحله | نوع | دما | زمان (دقيقه) | سرعت جريان | ||||
| شروع | پايان | هيدروژن | متان | اتيلن | آرگون | |||
| 1 | حرارت | دماي محيط | 900 | 12 | 0 | 0 | 0 | 1000 |
| 2 | رسوب | 900 | 900 | 10 | 300 | 1200 | 30 | 0 |
| 3 | تبريد | 900 | دماي محيط | 120 | 0 | 0 | 0 | 1000 |
3- تشریح میکروسکوبیک الکترون
یک FEI XL-30 ESEM FEG در بعضی از تشریحات لوله نانو کربن تک جداره ای استفاده شده است . نوک گسیل میدان حرارتی Shottky بعنوان منبع الکترون بکار گرفته شده است و دارای رزولوشن نهایی 2/1 تا 5/1 نانو متر می باشد .
یک اتاقک بزرگ نمونه که مرحله ی موتوری را با دوربین CCD داخلی نشان می دهد امکان ورود و کنترل نمونه های نسبتاً بزرگ را فراهم می سازد .ESEMاز روزنه های محدود کننده فشار متغیر استفاده می کند . که این فشارهای بین 1 تا 20 Torrرا در اتاقک ایجاد می کند .سیستم های آشکار ساز گازی در به تصویر کشیدن نمونه های مورد استفاده قرار می گیرند . یونیزه کردن بخشی از گاز اتاقک موجب خنثی شدن بار الکتریکی در سطح نمونه می گردد و بطور معکوس ذرات جمع آوری شده بوسیله ی آشکار ساز گازی ثانوی با جلوه ی بله ای را باردار می سازند و در نتیجه سیگنال تقویت می گردد . تصویر سازی و تشریح با رزولوشن بالا ی نمونه های هیدراته شده ، نمونه ها و عایق های قابل تخریب را می توان با استفاده از روش های آشکار سازی بر بایه ی گاز ESEM در حالت اصلاح شده و بدون بوشش انجام داد. لوله های نانو کربن تک جداره ای بر روی لایه ی زیرینُ Sio2/Si در شرایط بودری سنتز می شوند . لایه ی زیرین سلیکون را میتوان مستقیما روی بایه ی آلومینیومی استاندارد با استفاده از نوار چسب کربن دو لبه سوار کرد . هیچ آماده سازی یا فلزی کردن بیشتر نمونه انجام نخواهد شد تا لوله ها ی نانو در حالت طبیعی تصویر سازی شوند . یک آشکار ساز ثانوی گازی برای تصویر سازی نمونه ها مورد استفاده قرار گرفته است بدون اینکه دستگاههای محدود ساز فشار بکار گرفته شود . با استفا ده از تنظیم بالا می توان به فشار حداکثر اتا ق یعنی torr 1/5 دست یافت . یک فاصله ی کاری بین 8 و 10 میلیمتر ، یک ولتاژ افزایش 10 تا 30 کیلو ولت و یک فشار اتاق بین 9/0و 3/1 torr مورد استفاده قرار گرفته است که برای بدست آوردن تصاویر لوله های نانو با رزولوشن بالا مناسب هستند . تصاویر ESEM
لوله های نانو کربن تک جداره ای که با دستورالعملهای متفاوت تولید شده باشند . در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت نکات مهم شرایط فراوری مختلف مورد بحث قرار می گیرد . لوله های تولید شده بر اساس دستورالعمل استاندارد مشابه آزمایش و لوله های نانو بر اسا س بارامتر های فرایند در جدول (1) با استفاده از ESEM مورد بررسی قرا ر گرفت . طول لوله های 1 میکرون و قطر آنها بین 4 تا 10 بود که مطابق مشخصات ابعادی تخمینی لوله های نانو کربن تک جداره بود . لوله های به شکل الگویی از اسباگتی در آمده بود بطوریکه لوله ها روی هم قرار گرفته بودند . شکل 2 رشد لوله های نانو خالص نشده را روی بوشال ها ی سیلیکون نشان می دهد .شکل 2 ( الف ) رشد لوله های نانو کربن تک جداره ای را با استفاده از یک کاتالیزور روی یک بوشال سیلیکون نشان می دهد . شکل 2 ( ب ) رشد لوله های نانو کربن تک جداره ای را بین ذرات کاتالیزور روی بوشال سیلیکون نشان می دهد که در آن لوله های نانو کربن بین الگوهای کاتالیزور قابل امتداد هستند . شکل 2 ( ج ، د ) ساختارهای مانند ریبون و صفحه را از کاتالیزور روی بوشال سیلیکون و نیز ساختارهای صفحه ای شکل از کاتالیزور روی یک قایق شیشه ای را نشان می دهد . در تمام این تصا ویر ولتاژ افزایش 30 کیلو وات می باشد .ُکاتالیزور درخشان که زیادی است و مورد استفاده قرار نگرفته است زیر لوله های نانو قرار دارند که در شکل 2 ( الف ) نشان داده شده است . یک بدیده جالب در شکل 2 ( ب ) نشان داده شده است انتهای سمت راست لوله های نانو کربن تک جداره از پشته كاتاليزور آغاز و در پشته ديگر كاتاليزور در امتداد لايه زيرين دي اكسيد تار پايان مي يابد. اين لوله هاي بلند قابل تشكيل در جهت جريان گازها در لوله كواتز مي باشند. اين مكان رشد مستقيم لوله هاي نانو را بين لايه هاي زيرين در سه بعد نشان مي دهد. پهناي بزرگ و طول بلند براي كاربردهاي زيادي مفيد مي باشد. تحقيقات بيشتر در دست انجام است تا با استفاده از ميكروسكوپي الكترون انتقال بارزولوش بالا (HRTEM) و طيف سنجي فوتو الكترون اشعه ايكس (XPS) به جزئيات بيشتري در مورد نوع لوله هاي مانوي توليد دست يافته از جمله اينكه چه مواد و ناخالصي هايي در تصوير نشان داده شده است.
شكل 3 رشد فله اي لوله هاي نانو را با استفاده از لايه زيرين پودري و كاتاليزور در يك قايق را نشان مي دهد. كاتاليزور و روشهاي خالص سازي توسط UC براي لوله هاي با بازده بالا كه براحتي خالص مي شوند پيشنهاد گرديد. تصاوير نشان داده شده حاوي لوله هاي نانو كربن تك جداره اي و رشته هاي آنها مي باشد. شكل 3 (الف) نمونه خالص نشده رشد لوله هاي نانو كربن تك جداره اي را با استفاده از يك كاتاليزور پودري و دستورالعمل UC براي رشد نشان مي دهد. مشكلات مربوط به رشد فله اي اين است كه لايه زيرين و كاتاليزور در مرحله خالص سازي اغلب بسختي قابل انتقال و حذف هستند.
شكل 3 (ب) لوله هاي نانو كربن تك جداره اي را نشان مي دهد. شكل 3 (ج) لوله هاي نانو كربن تك جداره اي را در حال بسته شدن نشان مي دهد. لايه زيرين CaO استفاده شده با مخلوط چرخشي و مافوق صوت آماده شده است كه با HCI به آساني قابل خالص شدن مي باشند. يك كاتاليزور با پايه آهن با لايه زيرين CaO مورد استفاده قرار مي گيرد. انواع متغير از لايه زيرين – كاتاليزور آزمايش مي شوند تا بر رشد تأكيد شود . با يك قايق موليبدن بلند و پوشش نازك، از لايه زيرين – كاتاليزور، تقريباً نصف گرم از لوله هاي نانو كربن تك جداره اي در هر آزمايشي در كوره نانو قابل توليد هستند. زمان براي رشد و تبديل براي يك آزمايش سنتز حدوداً چهار ساعت مي باشد. مرحله خالص سازي از جمله افزودن اسيد، تنش زدايي حرارتي و شستشو حدوداً يك روز طول مي كشد. بنابراين انجام همزمان عمل سنتز و فرآوري، توليد حدوداً يك گرم در روز امكانپذير خواهد ساخت. استفاده از لايه ضخيم تر كاتاليزور و يك قايق بلندتر مي تواند بازده را افزايش دهد اما اين رويه بدون استفاده از اسيدهاي خطرناك به آساني قابل انجام است و لوله هاي نانوي با درجه تحقيق توليد مي كند. ساخت مواد هوشمند نيازمند مقدار بسيار زيادي لوله هاي نانو براي آماده سازي نمونه بمنظور ارتقاء بازده لوله هاي نانو و نيز طول آنها مي باشد. تعداد زيادي آزمايشهاي آزمون و خطا قابل انجام است و براي ارتقاء سنتز لوله هاي نانو ضروري است.
4- تشريح طيف نگاري رامان (RAMAN)
تكنيك رامان در آناليزهاي كمي و كيفي لوله هاي نانون كربن استفاده مي شود. وقتي شعاعي از نور از يك تركيب شيميايي بي غبار و شفاف مي گذرد يك شكست كوچك از نور در جهتهاي ديگري رخ مي دهد. طول موج نورهاي شكسته شده از نور گذرانده شده تفاوت بسيار كمي خواهد داشت كه اين ظهور و رخداد به پديده رامان منتهي مي گردد. الگوي خطوط رامان خصيصه هاي ويژه گونه هاي ملكولي را به نمايش مي گذارد و شدت آن متناسب با تعداد ملكولهاي پخش شده در مسير نور مي باشد و يا اندازه گيري غير مستقيم دانسيته گونه هاي مربوط مي باشد. قله هاي رزونانس نيز در طيف قابل مشاهده هستند كه نوع ويژه از گونه هاست كه در حجم زياد مشاهده مي گردند. در اين آناليز فقط تعدا موجها (cm-1 0 – 300) براي محاسبه قطرها قابل بررسي مي باشند. براي تخمين خواص الكترونيكي لوله هاي نانو (مثلاً اينكه آيا لوله هاي نانو فلزي، نيمه رسانا يا غير فلزي هستند)، تعداد موجهاي مورد نظر بايد بين 1400 و 1700 (cm1-) باشند. همچنين اگر انرژي تحريك نور بين 7/1 و 9/1 (ev) باشد، و رزونانس بين 1400 و 1700 (cm-1) مشاهده گردد، اين نشان دهنده لوله هاي نانوي فلزي خواهد بود. اگر انرژي تحريك نور بيش از 2/2 (ev) و يا زير 5/1 (ev) باشد و قله هاي رزونانسي در دامنه تعداد امواج بين 1400 و 1700 (cm-1) باشد، نشان دهنده لوله هاي نانوي نيمه رسانا خواهد بود. رابطه بين قطر و تعداد امواج روزنانس بقرار زير مي باشد:
قطر (nm) = ((cm-1) تعداد موج / 238)
يكي از طيف هاي رامان در شكل 4 كه يك نمودار تعداد امواج – دانسيته طيف رامان است نشان داده شده است. تعداد امواج متوسط معادل ارزش متوسط شدت هاي رزونانس مشاهده شده بين 0 تا cm-1 300 در يك نمونه مي باشد. قطر متوسط محاسبه شده تقريباً همان چيزي است كه در سه آزمايش مشاهده گرديد يعني 3/1 ميليمتر. قطر لوله هاي نانوي رشد يافته در CVD به اندازه كاتاليزور بستگي دارد و براي اين سه آزمايش كاتاليزور يكسان مورد استفاده قرار گرفت. بزرگي شدت رزونانس طيف از نمونه شماره 1 تا 3 شروع به افزايش مي نمايد كه اين افزايش در دانسيته مربوطه رشد لوله نانو را نشان مي دهد. بنابراين ما مي توانيم لوله هاي نانو بيشتري را از طريق ارتقاء شرايط فرايند توليد كنيم. تفاوتي در موقعيت هاي قله رزونانس و الگوهاي آنها در محدوده 300 تا 1400 cm-1 وجود دارد. بعلاوه براي تفسير بزرگي اين منطقه آناليز بيشتري مورد نياز است. انرژي تحريك منابع ليزر در ولتاژهاي الكترون را مي توان براي جستجو در محدوده 1400 تا 1700 (cm-1) استفاده كرد و تغييراتي را در نوع لوله هاي نانوي توليد شده (فلزي يا نيمه رسانا) در سه نمونه پيدا كرد.
جدول شماره (2)
جدول 1- داده هاي عددي براورد شده از طيف رامان مربوط به رشد لوله هاي نانو كربن تك جداره اي
| آزمايش | تعداد موج رزونانس (cm-1) | شدت | متوسط تعداد موج رزونانس(cm-1) | قطر (nm) |
| 1-Std | 684/192 | 96/56 | 414/187 | 29/1 |
| 2-تعديل شده | 9018/183 | 377/600 | 385/180 | 35/ 1 |
| 3-تعديل شده | 8316/169 | 577/650 | 219/180 | 35/1 |
5- كاربرد كامپوزيت هاي نانو پليمر
كامپوزيت هاي نانو پليمر را مي توان با بارگذاري وزين با درصدهاي وزني مختلف لوله هاي نانو توليد كرد. در توليد كامپوزيت هاي نانو پليمر، پخش و اتصال بين رزين و لوله هاي نانو توسعه مي يابد، و لوله هاي نانو با استفاده از ابزار پرسرعت dremel در يك monomer پخش مي گردد. لوله هاي نانو را مي توان با اسيد اكريليك يا مواد ديگر در فرايند پليمر سازي پلاسما پوشش داد. راهكار ديگر پخش لوله هاي نانوي خالص شده در يك عامل فعال در سطح بدون پوشش دهي مي باشد. سپس كامپوزيتهاي نانو با مخلوط لوله هاي نانو كربن در رزين Epon 868 با ابزار پر سرعت dremel در دماي بالا ساخته مي شوند و سپس با Epicore 3234 عمل آوري مي گردند. دو مسئله اساسي مواجه شده در اين فرايند اين است كه لوله هاي نانو وقتي در يك رزين تا يك ماتريكس قرار مي گيرند به هم گره مي خورند، و لوله هاي نانو با استحكام لازم و كافي به ماتريكس پيوند نمي خورد. عمل مخلوط ممكن است لوله هاي نانو را نيز تخريب كند. اين تأثيرات منجر به از دست دادن كيفيت خواص مكانيكي كامپوزيت مي گردد. مثلاً اگر فيبرهاي نانو كربن عمل نكند، شكل 5 خارج شدن فيبرهاي نانو را از يك ماتريكس اپوكسن نشان مي دهد. نمونه هاي كامپوزيت حاوي درصدهاي مختلف وزني كه به بطور تصادفي با فيبرهاي نانو كربن تنظيم شده اند، پيرو گراف نوع 3 قطهاي مختلف ارائه شده اند. فيبرهاي نانو كربن داراي قطرهاي 70 و 130 ميليمتر براي دو نوع مي باشند و مشابه لوله هاي نانو كربن تك جداره اي بزرگ مي باشند زيرا لوله ها متحد المركز هستند، اما لوله ها زاويه اي برابر بيست درجه با محور فيبر مي سازند. اگر فيبرهاي نانو پوشش داده شوند تا پخش و چسبندگي بهتر شود، در حدود 30 درصد پيشرفت و بهبود در مدولهاي مواد كامپوزيت نانو با بارگذاري 1 WT% از فيبرهاي نانو حاصل خواهد شد. پوشش فيبرهاي نانو در شكل 6 نشان داده شده است. اين خواص تا حدي با افزايش درصد وزني فيبرهاي نانو قابل افزايش است و اين به ميزان پخش و چسبندگي بستگي دارد. نتايج مشابهي در زمان استفاده از لوله هاي نانو كربن تك جداره اي در اپوكس و نيز فيبر نانو كربن در پلي استر بدست مي آيد. با درصد بالايي از لوله هاي نانو، خواص ارتقاء مي يابد اما با استفاده از قانون مخلوط، خيلي كمتر از ميزان پيش بيني شده مي باشد. براي مقرون به صرفه بودن، كامپوزيت هاي نانو بايد پيشرفت اساسي در خواص ايجاد كنند. در اين وضعيت، لوله هاي نانو كربن تك جداره اي داراي خواص بهتري هستند، لوله هاي نانو كربن تك جداره اي براحتي فرآوري مي شوند و كم هزينه مي باشند، و فيبر نانو كربن كمترين هزينه را در برداشته و براحتي فرآوري مي شوند چون قطر بزرگتري دارند.
6- كاربرد حسگر مقاومت فشار
لوله هاي نانو كربن و كامپوزيتهاي آنها عكس العمل مقاوم درمقابل فشار (بارهاي مقاومت الكتريكي با كرنش) از خود بروز مي دهند كه براي كنترل بارها و كرنش ها در ساختارهاي كامپوزيت مفيد هستند. يك حسگر مقاومت فشار لوله نانو كربن و يك حسگر كرنش در شكل 7 نشان داده شده است. عكس العمل حسگر بار به مقاومت تماسي بين كامپوزيت و الكترودها بستگي دارد. عكس العمل نسبت به الكترود فويل مسي در تماسي با كاپوزيت در شكل 7 (الف) نشان داده شده است.
7- كاربرد فعال ساز الكترو شيمي
فرايندهاي مختلفي براي ساخت لوله هاي نانو كربني و فعال سازهاي فيبر نانو و حسگرها ارائه شده است. در يك راهكار، لوله هاي نانو كربن تك جداره اي در ديمتيل فورما بايد N – N با استفاده از ابزار چرخشي پر سرعت پخش مي گردند و در يك قالب چهارگوش ساخته شده از تفلون قرار داده مي شوند. يك عمل برش براي تنظيم لوله هاي نانو مورد استفاده قرار مي گيرد. حلال لايه به لايه ريخته شده و تبخير مي گردد. اين رويه آرام يك كاغذ تنظيم شده 100 در صد از لوله هاي نانو كربن تك جداره اي ايجاد مي كند. يك لايه نازك از اپوكس رسانا روي يك طرف كاغذ قرار داده مي شود و يك سيم به يك انتهاي آن متصل مي گردد. اين فعال ساز در يك الكترود قرار داده مي شود و بوسيله يك ژنراتور با ولتاژ پايين جابجا مي گردد. اين فعال ساز در يك الكتروليت با دامنه پايين تا 1 ميليمتر در فركانس هاي تا 15 هرتز مرتعش مي گردد. كاربردهاي احتمالي شامل فعال سازي هر چند درحال كار در كي محيط مايع، و انبساط تا مرحله شكل گيري ساختارهاي خشك با استفاده از يك الكتروليت كپسولي يا خشك. فعال ساز در ضمن مي تواند بعنوان يك حسگر جريان كه به يك اسيلواسكوپ وصل است عمل كند. جريان مايع روي كاغذ لوله نانو يك ولتاژ ماكزيمم 10 ميلي ولتي را در مقاومت 1 مگا اهمي ايجاد مي كند.
ما براي اولين با كامپوزيت هاي فيبر نانو كربن را براي فعال سازي الكترومكانيك ساخته ايم كه در دو حالت محيط هاي الكتروليت جامد خشك و تر آزمايش مي شوند. تركيبي از حلال و مخلوط ذوب براي پخش مواد فيبرهاي نانو كربن در PMMA بكار مي رود. شكل 8 ساختارهاي كامپوزيت الكتروليت پليمر جامد مختلف را نشان مي دهد كه از PMMA, LiBF4 كربنات پليمر و استرونيترال را با روش ريخته گري حلال نشان مي دهد. مطالعات رسانايي يون درحال انجام است تا SPE توليد شده تشريح گردد. در مقايسه با فعال ساز لوله هاي نانوي تك جداره كه در كارهاي ديگر تشريح شده است، نيروي بيشتر با كرنش كوچكتر با استفاده از مواد CNF – SPE توليد مي گردد، و ولتاژ بالاتر يعني حدود 20 ولت لازم است تا آن كنترل كرد. از آنجا كه فعال ساز ممكن است ماده ساختاري باشد، فعال ساز كامپوزيت CNF – PMMA را مي توان براي كاربردهاي ساختاري كه از مواد هوشمند استفاده مي كند استفاده كرد.
8- نتيجه گيري
مصالح چند منظوره ساختمان كه با استفاده از لوله هاي نانو كربن محكم و هوشمند هستند مورد بحث قرار گرفته است، وبعضي از نتايج اوليه ارائه شده است. مشكلات و مسائله مهمي از جمله پخش و چسبندگي لوله هاي نانو به مواد ماتريكس وجود دارند كه هنوز بايد حل شوند تا كاربردهاي مربوطه تجاري گردند. فرآوري پيشرفته (هم سنتز و هم پخش) و فنون تشريح مصالح با هزينه كاهش يافته موارد كاربردي زيادي براي مصالح هوشمند كامپوزيت هايث نانو چند منظوره ايجاد خواهد كرد.
منابع و مآخذ:
Baz , A. (2001), “Vibration Control with Shape Memory Alloys”, Encyclopedia of Vibration, Ed. by
Simmons, Ewins and Rao, Academic Press.
Bennett M.D. & Leo, D.J. (2003), “Manufacture and characterization of ionic polymer transducers
employing non-precious metal electrodes”, Smart materials & Structures, 12, 424--436.
Bray D. (2001), “Cell movements: from molecules to motility”, 2nd ed. Garland Publishing.
Chua, C.L. Chollet, F. & He, J. (2003), “Study of biological actuator and sensor: The mimosa pudica”,
International Journal of computational engineering science, 559--562.
Culshaw, B. (1995), Smart structure and materials, Artech House, Boston , London
Egusa , S. & Iwasawa, N. (1998), “Piezoelectric paints as one approach to smart structural materials
with health-monitoring capabilities”, Smart Materials and Structures, 7, 438--445.
de Gennes, P. G. (1985), “Wetting: statics and dynamics”, Review of Modern Physics, 3, 827--863.
Ghoshal, A., Prosser, W.H., Kirikera, G., Schulz, M.J. , Hughes, D.J. & Orisamolu, W., (2003),
“Concepts and development of Bio-Inspired Distributed Embedded Wired/Wireless Sensor Array
Architectures foracoustic Wave Sensing in Integrated Aerospace Vehicles”, 4th International
Workshop on Structural Health Monitoring, California
Giurgiutiu, V. & Rogers, V. (1997), “Power and Energy characteristics of solid-state induced-strain
actuators for static and dynamic applications”, Journal of intelligent material systems and structures,
738--750.
Gobby, D., Angeli, P. & Gavriilidis, A. (2001), “Mixing characteristics of T-type microfluidic
mixers”, Journal of Micromechanics, 11, 126--132.
Hetherington, A.M. & Woodward, F.I. (2003), “The role of stomata in sensing and driving
environmental change”, Nature, 424, 901--908.
Knoblauch, M., Noll, G.A., Muller , T., Prufer, D., Schneider -Huther, I. , Scharner , D., van Bel, A.J.E.
& Peters, W.S. (2003), “ATP-independent contractile proteins from plants”, Nature Materials, 2, 600--
603.
Knoblauch, M., Peters, W.S., Ehlers, W.S., van Bel, A.J.E. (2001), “Reversible calcium-regulated
stopcocks in legume sieve tubes”, Plant Cell, 13, 1221--1230.
Knoblauch, M. & Peters, W.S. (2004a), “Forisomes, a novel type of Ca2+-dependent contractile protein
motor”, Cell Motility and the Cytoskeleton 58, 137--142.
Knoblauch, M. & Peters, W.S. (2004b),, “Biomimetic actuators: where technology and cell biology
merge”, Cellular and Molecular Life Sciences, 61, 2497--2509.
Kuhn, W., Hargitay, B., Katchalsky, A. & Eisenberg, H. (1950), “Reversible Dilatation and
Contraction by changing the State of Ionization
516.
Lang A, Minchin E.E.H. (1986), “Phylogenetic distribution and mechanism of translocation inhibition
by chilling”, Journal of Experimental Botany, 37, 389--398.
Lin, M. , Chang, F.K. (2002), “The manufacture of composite structures with a built-in network of
piezoceramics”, Composites Science and Technology, 62, 919--939.
research”, Structural Health Monitoring, Ed. Fu-Kuo Chang.
Ma, K. (2003), “Vibration control of smart structures with bonded PZT patches: novel adaptive
filtering algorithm and hybrid control scheme”, Smart Materials and Structures, 12, 473--482.
Mavroidis, C. & Dubey, A. (2003), “Biomimetics: From pulses to motors”, Nature, 2, 573.
Nemat-Nasser, S. (2002), “Micromechanics of actuation of ionic polymer-metal composites”, Journal
of Applied Physics, 92 (5), 2899--2915.
Pickard, W.F., Minchin, P.E.H. (1990), “The transient inhibition of phloem translocation in phaseolus
vulganis by abrupt temperature drops, vibration, and electric shock”, Journal of Cyperimental Botany,
41, 1361--1369.
Polla, D.L. & Francis, L.F. (1998), “Processing and characterization of piezoelectric materials and
integration into microelectromechanical systems”, Annual Review of Materials Science, 28, 563--597.
Sahoo, H., Pavoor, T., Vancheeswaran, S. (2001), “Actuators based on electroactive polymers”,
Current Science, 81, 743--746.
Shahinpoor, M. & Thompson, M.S. (1995), “The venus flytrap as a model for a biomimetic material
with built-in sensors and actuators”, Materials Science and Engineering C2, 229--233.
Shahinpoor, M. (2003), “Ionic polymer-conductor composites as biomimetic sensors, robotic actuators
and artificial muscles - a review”, Electrochimica Acta, 48, 2343--2353.
Stone, H.A. & Kim, S. (2001), “Microfluidics: Basic issues, applications, and challenges”, AICHE
Journal, 47, 1250--1254.
Stroock, A. Dertinger, S. Ajdari, A., Mezic, I. , Stone, H. A. & Whitesides, G. (2002), “Chaotic mixer
for Microchannels”, Science, 295, 647--651.
Tadaki, T., Otsuka, K. & Shimizu, K. (1988), “Shape Memory Alloys”, Annual Review of Materials
Science,18, 25--30.
Uchida, M. & Taya, M. (2001), “Solid polymer electrolyte actuator using electrode reaction”,
Polymer, 42, 9281--9285.
Ueda, M. & Yamamura, S. (2000), “Chemistry and biology of plant leaf movements”, Angewandte
Chemie International Edition 39, 1400--1414.
Xia, Y. & Whitesides, G.M. (1998), “Soft Lithography”, Annual Review of Materials Science, 28,
153--184.
Yu, Q., Bauer, J., Beebe, D. & Moore, J. (2001), “A responsive bio-mimetic hydrogel valve for
microfluidics”, Applied Physics Letters, 78, 2589—2591
تهیه و ترجمه مقاله : حسین کریمی – علی کریمی – صباغی – محمودی .
هیچ نظری موجود نیست:
ارسال یک نظر